از پیشرفته‌ترین روش های بهسازی خاک میکروپایل می باشد که علاوه بر آنکه تحت عنوان یک المان باربر و مقاوم به خاک اضافه شده، در پی تزریق دوغاب سیمان، خواص مکانیکی (مقاومتی و رفتاری) خاک را نیز بهبود می‌بخشد. همواره جهت بهسازی و تقویت خاک دو راه مورد استفاده مهندسین قرار دارد که شامل استفاده از المان‌های باربر در خاک و اصلاح خواص فیزیکی- مکانیکی با افزودن مواد و مصالحی به خاک، می‌باشد. هر یک از این مورد شامل راه‌ها و روش‌های مشخصی هست که در این میان روش‌هایی نظیر استفاده از میکروپایل‌ها به همراه تزریق دوغاب سیمان مزایای هر دو دسته را شامل می‌شود.
میکروپایل شمع‌هایی با قطر کمتر از 300mm هستند که غالباً با تسلیح فولادی سبک و تزریق دوغاب سیمان همراه می‌باشند. تاریخچه استفاده از این روش به جنگ جهانی دوم برمی‌گردد که با گذشت زمان با توجه به کارایی و قابلیت اجرای آن در ساختمان‌های آسیب دیده و همچنین سرعت بالای اجرا در ترمیم و تقویت سازهها رواج یافت.
کاربردهای روش میکروپایل
جهت انجام یک پروژه ابتدا باید مشخصات ژئوتکنیکی محل قرارگیری پروژه مورد مطالعه قرار گیرد سپس روانگرایی اعماق مختلف زمین و پتانسیل روانگرایی ناحیه در صورت وقوع زلزله بررسی شود. زیرا با وقوع روانگرایی مقاومت برشی خاک کاهش شدید یافته و نشست‌های بزرگی در پی سطحی اتفاق می‌افتد که آسیب‌های جدی و درنهایت تخریب را به دنبال دارد. در برخی دیگر از پروژه‌ها نیز هدف تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر می‌باشد. میکروپایل در هر دو نوع کارکرد ذکر شده بعنوان گزینه‌ای مطلوب پیشنهاد شده است.
در کاربرد اول، معمولاً با توجه به شرایط در 10 متری اعماق نزدیک به سطح زمین روانگرایی خطرناک بوده و در اعماق بیش از 10 متر تأثیرات آن کاهش خواهد یافت. لذا جهت اجرای میکروپایل، عمق بهسازی بایستی به‌گونه‌ای انتخاب گردد که ضمن تضمین رفتار مناسب خاک در شرایط بحرانی نظیر زلزله و تأمین مقاومت پی در برابر اضافه بارهای وارده و جلوگیری از نشست‌های ناهمگن، از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد.
از دیگر معیارهای تعیین عمق مناسب اجرای میکروپایل مشاهدات میدانی ناشی از کوبش میکروپایل در خاک و ثبت تغییرات سرعت فرو رفت براساس تعداد ضربات کوبش (انرژی وارده) می‌باشد. بنابراین با پیشرفت کار عمق طراحی متناسب با شرایط زمین قابل تغییر است.
در کاربرد دوم که میکروپایل بهمراه تزریق دوغاب اجرا می‌شود، علاوه بر بهبود مشخصات مقاومتی خاک، تأمین باربری ستون‌های روی پی و انتقال بار به لایه‌های عمیق‌تر را به دنبال دارد لذا طول میکروپایل متناسب با ظرفیت باربری لازم محاسبه خواهد شد.
در این راستا چیدمان ریز شمع‌ها در پلان و محاسبه عمق بهینه آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا نظم در چیدمان ریزشمع‌ها باعث توزیع یکنواخت عکس‌العمل تکیه‌گاهی در زیر پی ساختمان گردیده و پیکره سازه‌ای پی فوقانی نیز بر این اساس بصورت همگن و بهینه طرح خواهد گردید. عواملی مانند موقعیت پی‌ها و ستون‌ها ، نحوه توزیع و مقدار بارهای گسترده و متمرکز ، پارامترهای مقاومتی و ظرفیت باربری خاک، نفوذپذیری خاک، عمق ریزشمع‌ها و مشخصات هندسی و سازه‌ای پی سازه در طرح چیدمان میکروپایل تأثیرگذار می‌باشند.
روش اجرای میکروپایل
اجرای میکروپایل تحت چهار مرحله اصلی مشتمل بر حفاری (در صورت نیاز)، لوله‌کوبی، تزریق و تسلیح فولادی می‌باشد که در ادامه به شرح هر مرحله پرداخته شده است :
1. حفاری : در شرایطی مانند وجود کف‌سازی، بتن مگر، لایه متراکم خاک که امکان کوبش لوله‌های میکروپایل وجود ندارد، در ایتدا نیاز به عملیات حفاری داریم که به روش‌هایی مانند حفاری دورانی یا دورانی- ضربه‌ای انجام می‌شود. حفاری انجام شده باید متناسب با عمق مورد نیاز پروژه جهت میکروپایل صورت پذیرد.
2. لوله کوبی : پس از ایجاد عمق مورد نظر، جهت استقرار لوله‌های میکروپایل لوله کوبی انجام داده می‌شود که در مرحله اول از نوک تیز آن استفاده شده و پس از فرو رفتن لوله اول، لوله دوم نیز متصل گردیده و کوبیده می‌شود. جهت اتصال کامل لولهها به یکدیگر علاوه بر استفاده از بوشن‌های رزوه شده، لولهها به لبه بوشن نیز، جوش داده می‌شوند. لازم به ذکر است اگر پس از 30 ضربه متوالی، لوله بیشتر از 10سانتی‌متر فرو نرود، عملیات کوبش لوله میکروپایل متوقف گشته و تا عمق موردنظر حفاری انجام شده و سپس لوله‌های مربوط به میکروپایل در درون گمانه نصب می‌گردد.
3. تزریق : ساخت دوغاب مورد نظر و تزریق مناسب آن در این بخش بسیار مهم می‌باشد. دستگاه تزریق دوغاب از سه بخش میکسر اولیه، میکسر ثانویه و پمپ تزریق تشکیل می‌گردد که در میکسر اولیه اختلاط از نوع سیستم چرخش سریع آب می‌باشد و میکسر ثانویه از نوع پره‌ای می‌باشد. ساخت دوغاب تزریق در همزن‌های میکسر اولیه صورت می‌گیرد. ابتدا آب به میزان مورد نظر ریخته شده و سپس متناسب با نسبت آب به سیمان (WCR) مورد نیاز، سیمان به آن افزوده می‌شود. زمان حداقل هم زدن دوغاب سیمان، 30 ثانیه می‌باشد. پس از آماده شدن دوغاب، جهت نگهداری، دوغاب در داخل همزن ثانویه ریخته شده و سپس بوسیله پمپ های تزریق مخصوص تزریق می‌گردد. تزریق تا زمانی که دوغاب از سطح یا میکروپایل های جانبی نشت کند، عملیات تزریق متوقف می‌گردد.
در عملیات تزریق باید به نکات زیر توجه شود :
- در صورتی که درون لوله میکروپایل قبل از تزریق دوغاب سیمان ،کثیف باشد باید توسط فشار آب یا هوای فشرده درون لوله تمیز شود.
- فشار تزریق در مراحل مختلف تزریق، در اعماق مختلف، تحت تأثیر جنس زمین و شرایط ژئوتکنیکی می‌تواند متغیر باشد.
- با توجه به شرایط ژئوتکنیکی و میزان باربری طراحی ریزشمع ها، مقدار سیمان برآوردی معادل هر متر طول میکروپایل تا 100 کیلوگرم می‌تواند باشد. البته با توجه به این امر که باید تزریق تا فشار 10 اتمسفر ادامه یابد، لذا ممکن است مقدار سیمان از برآورد اولیه بیشتر گردد.
- نوع سیمان مصرفی در ملات تزریق سیمان از نوع سیمان پرتلند تیپ دو و یا سیمان تیپ پنج با توجه به شرایط شیمیایی محل مورد نظر تعیین می‌گردد.
- آب مصرفی در ساخت دوغاب، باید تمیز و صاف بوده و دارای کلیه شرایط لازم برای آب مصرفی در ساخت بتن باشد. این آب بایستی عاری از هر نوع ماده‌ای از قبیل اسیدها، قلیا‌ها، مواد قندی، نمک‌ها و مواد آلی که منجر به ایجاد صدمه به بتن می‌شود، باشد.
4. تسلیح فولادی : در مرحله آخر، عملیات جاگذاری آرماتور تسلیح در داخل لوله میکروپایل و نصب فلنج (در صورت نیاز) می‌باشد. بدیهی است که آرماتور تسلیح می‌بایست قبل از گیرش سیمان، در داخل گمانه نصب شود. فلنج که به منظور ایجاد اتصال کامل بین میکروپایل و بتن فونداسیون و همچنین جلوگیری از برش پانچ سر میکروپایل در داخل بتن پی بکار می‌رود، می‌بایست در آخرین مرحله به آرماتور تسلیح میکروپایل جوش شود
نکته : در مواردی که سازه مورد نظر جزء آثار باستانی بوده یا شامل دیوار خشتی و گلی باشد، احتمال فروریزش دیوار در اثر میکروپایل وجود دارد برای جلوگیری از این اتفاق بعنوان مثال می‌توان دور تا دور آن را با FRP می‌بندند و اثر محصورشدگی ایجاد می‌کنند. حال اگر قرار باشد شکل سازه اصلاً تغییری نکند لایه‌ای بین سازه و FRP قرار می‌دهند و پس از اتمام کار FRP را برمی‌دارند یا می‌توان روی لایه FRP نمایی مانند قبلی ایجاد کرد.
آزمایشات بررسی صحت عملکرد میکروپایل
میکروپایل با دو هدف استفاده در بستر پی سازهها و اصلاح و بهسازی برجای خاک استفاده می‌شود. پس از اجرای آن نیز آزمایش‌های کنترل کیفی مختلفی شامل آزمایش بارگذاری فشاری، کششی و جانبی جهت بررسی عملکرد سازه انجام می‌شود.
آزمایش بارگذاری فشاری
این آزمایش در خصوص میکروپایل هایی انجام می‌شود که حداقل 28 روز از زمان تزریق آن‌ها گذشته و به صورت فشاری با استفاده از جک بارگذاری انجام می‌شود. با توجه به مشخصات فنی و نقشه‌های اجرایی میکروپایل ها بارگذاری در دو مورد از آزمایش‌ها، تا رسیدن به بار طراحی و در یک مورد تا رسیدن به بـار نهایی صورت می‌گیرد. در حین انجام آزمایش نیز میکروپایل تا رسیدن به بار آزمایشی باید بطور کامل قابلیت تحمل بارهای اعمال شده را داشته باشد و نشانی از گسیختگی یا تغییر مکان بیشتر از حد استاندارد از خود نشان ندهد.
در این آزمایش، بارگذاری به روش پله‌ای تا رسیدن به بار آزمایشی و باربرداری تا بار صفر بوسیله جک بارگذاری انجام می‌گیرد. بارگذاری در پله‌های 3 تنی انجام می‌پذیرد و در هر مرحله بار به مدت 5 دقیقه بر روی میکروپایل قرار می‌گیرد. قرائت نشست‌های حاصل از هر پله بارگذاری در سه مرحله صورت می‌پذیرد.
در نهایت باربرداری نیز مانند بارگذاری به روش پله‌ای انجام شده و در هر مرحله تغییر مکان‌ها بوسیله گیج‌های اندازه‌گیری تغییر مکان در سه نقطه مونیتور می‌شوند.
آزمایش بارگذاری جانبی
در این مورد معمولاً از 2 شمع مجاور هم‌جهت ارزیابی رفتار جانبی میکروپایل ها استفاده می‌شود.
آزمایش بارگذاری کششی
این آزمایش یا به صورت مستقل و یا بوسیله میکروپایل‌های بکار رفته به عنوان عکس‌العمل تیر تکیه‌گاهی در آزمایش فشاری انجام شود. نتیجه این آزمایش بررسی رفتار مقاومتی و تغییر شکل‌پذیری کششی ریز شمع می‌باشد.
مزایای استفاده از روش میکروپایل
- در این روش به دلیل استفاده از آرماتور و سختی بالای آن، نشست خاک کنترل شده و بار موجود به لایه‌های مقاوم زیرین منتقل می‌شود.
- تزریق دوغاب در این روش خصوصیات مکانیکی خاک نظیر سختی، تراکم‌پذیری، ظرفیت باربری، ضریب اصطکاک و چسبندگی و غیره را بهبود می‌بخشد.
- کوبش میکروپایل ها موجب تراکم و تحکیم توده خاک اطراف می‌شود.
- انرژی پایین کوبش و قطر ناچیز حفاری، اثرات جانبی و لرزش در سازه‌های مجاور را به حداقل می‌رساند.
- این روش دارای قابلیت اجرای بسیار ساده در شرایط وجود آب زیرزمینی است. در مناطقی که سطح آب زیرزمینی بالا باشد، اجرای میکروپایل از سطح زمین و تزریق دوغاب سیمان از داخل آن، با سرعت فراوان انجام پذیرفته و به علت چگالی و ویسکوزیته بیشتر دوغاب سیمان، آب حفره‌ای در اثر فشار دوغاب سیمان تخلیه و با دوغاب سیمان جایگزین می‌گردد.انجام تست بارگذاری با استفاده از جک‌های سبک، با تأمین نیروی عکس‌العمل تکیه‌گاهی کافی، با دقت بالا و به سادگی برای این روش امکان‌پذیر خواهد بود. با استفاده از نتایج تست بارگذاری ریز شمع، امکان بررسی رفتار، میزان باربری، نشست‌های الاستیک و تغییر شکل‌های پسماند در حین بارگذاری وجود خواهد داشت. لذا امکان ارزیـابی درستی طراحی فراهم گردیده و تغییر طرح، تعداد و چیدمان میکروپایل‌ها با توجه به مشاهده رفتار واقعی و میزان باربری نهایی آن‌ها در محل میسر خواهد بود.
- به جهت استفاده از حجم کم مصالح مشتمل بر فولاد و سیمان، هزینه‌های پائین تجهیز کارگاه روشی اقتصادی می‌باشد.
- با توجه به ابعاد کمتری که ماشین‌آلات اجرای میکروپایل نسبت به سایر ماشین‌آلات دارند، علاوه بر آنکه دارای قابلیت حمل و جابجایی آسان در کارگاه می‌باشد، امکان اجرای عملیات در چند جبهه کاری مختلف بدون تداخل کاری را فراهم می‌نماید.
سوالات متداول
میکروپایل به چه معناست؟
به شمع هایی با قطر کم تر از ۳۰۰ میلی متر که معمولا با تزریق دوغاب و تسلیح فولادی سبک همراه می باشد، میکروپایل گفته می شود.
کاربرد میکروپایل چیست؟
اصلاح و بهسازی خاک ، پایدارسازی شیب ها ، ساخت دیوارههای نگهبان ، مقابله با روانگرایی ، افزایش مقاومت توده خاک با اهدافخاص نظیر تونل سازی و … ، حفاظت شیمیایی بخشهای مدفون سازهها ، پی سازه ها
مزایای استفاده از میکروپایل چیست؟
قابلیت اجرای آن در زمین های سست ، سرعت بالای اجرای آن ، از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه ، امنیت بسیار بالا ، قابلیت استفاده در انواع خاک، قابلیت اجرای آن ها در مکان هایی با ارتفاع کم هم چون برخی از پارکینگ ها و استفاده از میکروپایل ها برای مکان هایی که از محدویت فضایی برخوردار است.
مراحل اجرای میکروپایل ها چگونه است؟
اجرای میکروپایل در طی چهار مرحله صورت می گیرد که شامل مراحل حفاری، لوله کوبی، تزریق و تسلیح فولادی می باشد
